CMOS图像传感器的过去，现在和未来
来源：本文由半导体行业观察翻译自semienginerring，谢谢。
本文主要介绍最先进的CMOS图像传感器技术以及未来的发展。
在过去的十年里，CMOS图像传感器（C**）技术取得了令人瞩目的进展，图像传感器的性能也得到了极大的改善。自从在手机中引入相机以来，C**技术取得了巨大的商业成功。
包括科学家和市场营销专家在内的许多人，早在15年前就预言，CMOS图像传感器将完全取代CCD成像设备，就像20世纪80年代中期CCD设备取代了**采集管一样。尽管CMOS在成像领域占有牢固的地位，但它并没有完全取代CCD设备。
另一方面，对CMOS技术的驱动极大地提升了整个成像市场。CMOS图像传感器不仅创建了新的产品应用程序，而且还提高了CCD成像设备的性能。本文介绍了CMOS图像传感器技术中最先进的技术，并对未来的发展前景进行了展望。
图像传感器的定义和用途
图像传感器是一种将光学图像转换成电子信号的电子设备。转换的方法因图像传感器的类型而异
• “模拟”CCD执行光子到电子的转换。
• “数字”CMOS图像传感器（C**）执行光子到电压的转换
图像传感器用于数码相机和成像设备，将相机或成像设备接收到的光线转换为数字图像。
C** vs. CCD
今天，有两种不同的技术用于数字图像采集（图1）：
• 电荷耦合器件（CCD）是线性传感器，其输出与接收到的光子数量直接相关。
• 互补金属氧化物半导体（CMOS，或CMOS图像传感器C**）是一种较新的并行读出技术。
这两种类型的成像设备都将光转化为电子（或电荷），随后即可处理成电子信号。CCD的设计目的是将电荷逐个像素地移动，直到它们到达专用读出区域放大器。CMOS图像传感器直接在像素上进行放大。更高级的C**技术提供了一个并行读出架构，其中每个像素都可以单独寻址，或者作为一个组并行地读出（参见图1）。
CMOS传感器的制造成本远低于CCD传感器。由于新型图像传感器的**下降，数码相机已经变得非常便宜和普及。
在表1中，我们展示了CCD和CMOS架构的主要区别。 每个都有独特的优点和缺点，在不同的应用中各显其能（用绿色表示）。
表1：CCD与CMOS架构比较（来源：e2V）
C**中的关键组件
CMOS图像传感器有四个主要组件（见图2）：
1光电二极管（PD）
2 像素设计
3 彩色滤光片（CF）
4 微透镜
光电二极管（PD）用于捕捉光，一般用于实现这一功能的是PIN二极管或PN结器件。最广泛实现的像素设计被称为“有源像素传感器”（APS）。通常使用3—6个晶体管，它们可以从大型电容阵列中获得或缓冲像素。彩色滤光片用于分离反射光的红、绿、蓝（RGB）成分。最后，微透镜从C**的非活性部分收集光，并将其聚焦到光电二极管。微透镜通常具有球形表面和网状透镜。
图2：C**中的关键组件（来源：IBM，FSI）
C**性能参数
有许多参数可用于评估图像传感器的性能。我们使用三个主要指标对这些参数进行分类：
1像素布局：像素数，像素间距，像素填充因子
2像素物理：量子效率，阱容量，动态范围，转换增益，暗电流
3像素读数：信噪比，帧速率，线性度，功耗，位深度，调制传递函数，快门效率
（4）背面照度（BSI）技术与前面照度（FSI）技术
高级CMOS图像传感器制造商正在寻求新的架构，以便在保持或增强电—光性能的同时减小像素尺寸。较小的像素通常会带来更高的分辨率、更小的器件，以及更低的功耗和成本。理想情况下，缩小像素尺寸的任何新C**架构都不应该降低性能或图像质量。一种较新的C**架构背面照度（BSI）技术，是常用的前面照度（FSI）技术的有前途的替代方案（见图3）。
图3::：FSI vs. BSI
BSI技术涉及到将图像传感器倒置，并将彩色滤光片和微透镜应用于像素的背面，以便传感器可以通过背面收集光线。 BSI具有深光电二极管和短光路，从而具有更高的量子效率（1）（QE）和较低的串扰（2）（见图4）。
图4：串扰
（1）QE =转换成为电子的光子的百分比
（2）电子串扰=相邻像素之间的电荷（电子或空穴，取决于像素类型）的扩散。它由于底层的电子机制（扩散和漂移）而在硅材料中发生
BSI流程
使用BSI架构制作CMOS图像传感器需要许多工艺步骤。两种不同的BSI工艺流程Si-Bulk（图5）和SOI（图6）如下所示：
图5：BSI Si-Bulk简化流程
图6：BSI SOI工艺流程（来源：Yole）
C**的全局快门（GS）与滚动快门（RS）
“滚动快门”（RS）是一个技术术语，指的是图像传感器扫描图像的方式。如果传感器采用RS，则表示从传感器的一侧（通常是顶部）到另一侧依次逐行扫描图像。通常，CMOS图像传感器在RS模式下工作，其中曝光和快门*作逐行（或逐列）执行。
“全局快门”（GS）也是一个技术术语，指的是可以同时扫描图像的整个区域的传感器。在GS传感器中，使用所有像素同时捕获图像。GS架构包括一个存储器结构和附加的MOS晶体管，以提供额外的功能。今天，大多数C**成像器采用GS模式来避免失真和伪像，如寄生光敏感度（见图7）。使用GS功能的CMOS图像传感器用于各种领域，包括广播、汽车、无人机和监控应用。
图7：滚动（左）与全局（右）快门模式
3D堆叠C**
手机的增长是过去5年来C**单位出货量增长的主要动力。随着C**市场收入的增长，研发支出和专利申请也在增加。这一努力带来了先进的移动****，其中包含了一些新技术，例如：
1用于快速自动对焦（AF）的相位检测像素阵列（PDPA）
2 〜1μm生成像素，具有优越的低光灵敏度
3先进的芯片堆叠，具有与图像信号处理器（**P）晶圆连接的BSI C**晶圆
4 **录制高达4K
3D堆叠图像传感器由在逻辑裸片上面对面堆叠的BSI图像传感器裸片组成。投资堆叠式芯片C**开发的动机各异，具体取决于制造商，但可概括为：
1添加功能
2减少形式
3 支持灵活的生产选择
4有助于3D堆叠中每个裸片的优化
索尼在2012年推出了全球首款用于消费电子产品的堆叠芯片C**相机**，2013年初，平板电脑中使用了8 MP **X014堆叠芯片。第一代芯片采用了上一代TSV，将索尼制造的90nm C**裸片的pad与65nm **P的pad连接起来（来源：Chipworks）。
索尼的13 MP IMX214第二代堆叠C**芯片的制造类似于其90/65 nm（C** / **P）技术，并于2014年用于iPhone6 / 6s中。
最近（2017年2月），索尼公布了3层C**器件，包括顶层BSI传感器或C**光电二极管，中层DRAM单元阵列和底层逻辑作为**P（图8）。它是具有1um x 1um像素尺寸的23MP图像传感器，使用新的混合键合结构（常规结构类似于TSV）。
索尼还在2017年5月发布了其首款三层960 fps相机，并配备了三明治式堆叠的DRAM。
图8：索尼3层堆叠C**器件（来源：**SCC 2017＆TechInsights）
3D堆叠C**的历史
在表2中，我们总结并展示了3D堆叠C**的历史（来源：www.3DIC.org）。我们可以清楚地看到，技术从氧化物粘合+通过最后的TSV堆叠技术转移到混合键合技术，再到最近的顺序3D集成技术。
***立纳米器件实验室和清华大学的研究人员最近展示了一个单片3D图像传感器。他们按顺序制造了单层（小于1nm）的TMD（过渡金属二硫属性元素）光晶体管阵列，使用CVD生长的MoS2，通过高强度的内部连接转移到3D逻辑/存储器混合IC中。
表2：堆叠C**的历史（来自www.3DIC.org）
现在和未来的C**技术/市场/玩家
未来C**技术采用的路线图受到三个**或驱动因素的推动：
1尺寸（3维，相机模组的X，Y和Z）
2图像质量（分辨率，低光性能，对焦（AF）和稳定性（O**））
3功能（慢动作影像，图像分析，运动控制）
BSI，3D堆叠BSI，3D混合以及3D顺序集成都是影响未来C**技术应用的关键技术。
多年来，C**市场的竞争格局已经发生了很大的变化。索尼是市场、生产、技术的者。Omnivision和三星一直保持强劲，Galaxycore和Pixelplus这样的新玩家也在崛起。同时，集成器件制造（IDM）模型一直是佳能和尼康的强大动力来源，它们都经受住了数码相机的缓慢发展。至于松下，它已经与Tower Jazz成立了一家合资公司，以协助其在高端成像应用领域的探索。
今天，C**行业是由手机和汽车应用推动的。智能手机**头的创新将会继续，尽管这个大批量应用的竞争非常激烈。为了保持竞争力，C**制造商正**将越来越多的功能整合到移动**机中（见图9）。
图9：移动**机功能的转型（来源：Yole）
智能手机的应用正处于C**市场份额的领先地位，但许多其他应用将成为C**未来增长的一部分。许多IDM和无晶圆厂公司正在为新兴的更高利润率的成像应用开发芯片，如汽车、安全、医疗和其他领域。这些应用中出现了巨大的机会，推动了新兴供应商和现有供应商的市场和技术工作。这些新兴的机遇正在将移动成像技术推向其他增长领域，我们可能会看到从视觉成像到视觉感知以及其他交互式应用的转变。
原文链接：https://semiengineering.com/cmos-image-sensors-cis-past-present-future/
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